城市地铁隧道施工对上部既有隧道的影响研究

城市地铁隧道施工对上部既有隧道的影响研究

何冰

中国水利水电第五工程局有限公司 四川成都 610066

摘要：为探究地铁隧道施工对上部既有隧道的影响，本研究结合工程案例，使用岩土有限元分析软件进行建模分析。结果表明新建隧道施工时，对上部既有隧道的影响很小，引起的变形量均在允许范围内。

关键词：地铁隧道；既有隧道；变形影响；控制措施

伴随着城市快速发展，地铁交通成为缓解地面交通压力、改善出行条件的有效方案[1]。近年来，我国城市地铁工程的建设数量增多，其中不乏下穿既有隧道的情况。由于地铁隧道施工技术难度大，地质条件复杂，分析隧道施工对上部既有隧道的影响，进而采取针对性的防范管理措施，才能保证施工质量和安全。

1．工程概况

1.1 地铁隧道基本情况

某既有地铁2号线，隧道最小曲线半径为820 m，线路线间距为13.5～15.5 m，最大纵坡为2.2%。采用盾构法施工，管片内径、外径分别是5.6 m和6.3 m，衬砌厚度为0.4 m，隧道顶部覆土厚度为14.6～22.3 m。

新建地铁隧道下穿2号线，纵断面设计时增加了埋深，线路纵坡在0.5%～2.8%之间。小里程、大里程方向的地铁站分别是地下3层与地下2层，顶部覆土厚度为10.4～31.6 m。施工依然采用盾构法，管片内径、外径分别是5.4 m和6.1 m，衬砌厚度为0.35 m；采用错缝拼装，在管片外侧设弹性密封垫槽，内侧设嵌缝槽，纵缝设凹凸榫，使用M30 纵向螺栓连接。

新建地铁隧道在左线里程DK32+850、右线里程DK32+825处，下穿既有2号线隧道，两者垂直方向最小距离为3.8 m，隧道覆土厚度为25.8 m。2号线开挖施工中，在左线与右线之间设置一处泵房，同时作为联络通道使用。新建隧道左线、右线与此联络通道的最小距离分别是3.7 m和8.2 m，与新建隧道没有冲突。

1.2 地质条件

地质勘察结果显示，该施工场地的地层岩性从上到下分别是：（1）第四系人工填土层，以杂填土、素填土为主；（2）第四系全新统冲、洪积层，以黏土、淤泥质粉质黏土为主；（3）第四系中更新统冲、洪积层，以黏土、粉质黏土夹粉土为主；（4）第四系残积层，以黏土、红黏土为主；（5）白垩-下第三系东湖群，以强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩为主。新建地铁隧道开挖施工时，穿越地层包括素填土、黏土、粉质黏土、中风化泥质粉砂岩，岩土力学参数见表1。

表1  新建地铁隧道穿越地层的岩土力学参数

1.3 变形控制标准

新建隧道施工期间，变形控制主要参考三个标准：一是《城市轨道交通工程监测技术规范》（GB50911-2013）；二是《城市轨道交通结构安全保护技术规范》（CJJ/T202-2013）；三是当地地铁运营监测技术标准。综合以上三个标准，结合本工程项目的实际情况，最终确定变形控制标准见表2。

表2  新建地铁隧道施工变形控制标准

2．地铁隧道施工对上部既有隧道的影响

2.1 建模过程

对本隧道施工项目进行建模，使用岩土有限元分析软件MIDAS GTS NX。因本工程中岩土的结构复杂，尤其岩土的刚度特性模拟时有较大的难度，因此建模过程需要进行合理简化。（1）本工程中的隧道岩土层，将其简化为水平、层状分布的连续性材料，采用摩尔-库伦弹塑性模型，用实体单元模拟岩土体。以往实践证实，摩尔-库伦弹塑性模型的模拟效果好、计算效率高，能对岩土体的力学特征进行较为准确的描述，因此应用广泛[2]。（2）利用模型计算初始地应力时，只考虑土体的自重应力，忽略地下水、岩土体构造应力的影响，即岩土体受到重力作用可保持平衡。（3）模型计算范围：横向为100 m，纵向为100 m，竖向为50 m。建立模型时，地层和隧道均使用实体单元进行模拟，管片使用梁单元进行模拟，共计包括10.51万个单元、5.32万个网格节点。（4）计算时，在模型底部施加竖向约束，防止发生位移；在模型四周施加法向位移约束，地表是自由面。

2.2 结果分析

建模后计算，发现新建隧道施工时对既有2号线隧道的影响很小，2号线隧道的变形量不大，见表3。以管片最大沉降量为例，模拟结果为1.28 mm，明显低于变形控制标准（≤10 mm），说明新建隧道施工对既有隧道造成的影响在允许范围内。

表3  新建隧道施工对既有隧道变形量的模拟结果

2.3 控制措施

值得注意的是，本次模型计算过程中，掌子面受到的土压力与顶进推力相等，即顶推力引起的土层变形量小。而在实际施工中，顶推力是一个重要的控制指标，过大或过小均会导致掌子面的土体发生变形，提示施工人员控制好顶推力和注浆压力[3]。

结合本工程实际情况，提出以下几点控制措施，以保证隧道施工质量和安全。（1）落实地质勘察作业，全面、动态把握岩土层的特点，结合相关规范要求，对新建隧道的纵坡适当减小，进一步增大新建隧道与既有隧道的间距，最大程度上减少对上部土层的扰动。（2）新建隧道在管片施工中，对管片结构优化设计，适当提高配筋率，提高管片的强度值。（3）采用盾构法开挖隧道，为防止开挖面法发生沉降，应及时安装管片，并进行二次注浆，形成完整的受力结构体系。对于沉降量较大的局部点位，可增加注浆孔的数量进行补偿注浆。（4）新建隧道在正式掘进施工前，先选择150 m线路作为试验段。在试验段施工过程中，记录各项参数并调整优化，例如刀盘转速、进尺速度、注浆压力、土压力等，为正式施工提供数据支持，避免发生土体坍塌、土层损失、明显变形等问题[4]。

3．结论和建设

本次研究采用岩土有限元分析软件，对地铁隧道施工对上部既有隧道的影响进行建模分析，结果显示新建隧道施工对既有隧道的影响很小，说明施工方案是安全可行的。结合本次研究结果，对类似工程的建设提出以下建议：（1）前期准备阶段，应落实地质勘察工作，掌握隧道穿越岩土层的特征和力学指标。对管片安装、二次注浆等方案进行优化，优选注浆材料和配比。针对局部变形量较大的情况进行超限预警，并制定科学有效的应急处理方案。（2）现场施工阶段，落实测量和变形监测工作，根据地质条件、施工进度和规范要求，制定完善的测量监测方案，明确监测频率、控制标准，严格执行责任制。通过试验段施工作业，调整关键施工技术参数，为正式施工提供数据支持。加强盾构掘进施工管理，如检查刀盘的磨损情况，定期维修保养；调整盾构的姿态，一次穿越完成；及时进行注浆施工，减小工后沉降，进一步保证施工安全。

参考文献：

[1] 陈海勇.某地铁隧道施工对既有地铁隧道变形的影响及控制措施研究[J].工程技术研究,2022,7(11):80-82.

[2] 冯辉.地铁隧道的下穿施工对上部路基沉降影响分析[J].佳木斯职业学院学报,2017(7):493-494.

[3] 张旭聪.盾构管廊隧道交叉上穿既有地铁隧道施工影响分析研究[D].广州:广东工业大学,2021.

[4] 刘娇,王克成,刘玉宝,等.地铁隧道施工影响下活动断裂带活化规律研究[J].工程建设,2021,53(11):7-12.